Разработка технологического процесса детали типа "вал-червяк"

1. Введение 

    Машиностроительная  промышленность поставляет продукцию  всем отраслям хозяйства и является одним из основных его звеньев. Технологический  прогресс и дальнейший рост всех отраслей хозяйства в значительной степени  зависит от развития машиностроения и от роста его технологической культуры.

    Технологический процесс разрабатывается для  изготовления нового или модернизации и совершенствования действующего технологического процесса в соответствии с достижениями науки и техники.

    Разрабатываемый технологический процесс должен быть прогрессивным и обеспечивать повышение производительности труда и качества изделий, сокращение трудовых и материальных затрат на его реализацию, уменьшение вредных воздействий на окружающую среду. Технологический процесс должен соответствовать требованиям экологии и безопасности жизнедеятельности. Разработка перспективных технологических процессов должна быть основана на результатах научно-исследовательских, опытно-технологических и опытно-конструкторских работ, прогнозирование новых методов обработки изделия, анализа опыта других предприятий.

    В соответствии с этими требованиями проектируемый технологический  процесс должен полностью обеспечить выполнение всех требований рабочего чертежа и технических условий, при этом обеспечить минимальные затраты труда и издержки производства. Технологический процесс изготовления изделия должен выполняться с наиболее полным использованием технических возможностей средств производства, при наименьшей затрате времени и наименьшей стоимости изделия.

    Для одной и той же детали при одинаковой производственной программе может  быть разработано несколько вариантов  технологический процессов. В зависимости  от опыта технического персонала  и местных производственных условий  эти варианты отличаются друг от друга маршрутом и содержанием операций, являясь при этом достаточно равноценными по технико-экономической эффективности.

    Прогресс  в машиностроении в значительной мере зависит от уровня техники в  области зубчатых передач, широко применяемых  в различных машинах, приборах, приспособлениях. Создание зубчатых передач, отвечающих высокому научно-техническому и производственному уровню является сложной задачей, требующей совместного рассмотрения всех показателей качества проектируемой передачи. 

2. Условия работы детали в узле 

    Червячные передачи предназначены для преобразования вращательного движения при скрещивающихся осях зубчатых колес. Наибольшее распространение  получили передачи с углом 90°. Основной элемент в червячной передаче – шестерня, называется червяком, а зубчатое колесо называется червячным колесом.

    Червячные передачи находят применение, когда  требуется высокая плавность  передачи вращения, бесшумность, высокое  передаточное отношение, возможность  самоторможения.

    Основным  недостатком передачи является относительно низкий КПД, относительно высокий тепловой режим работы, относительно низкая мощность передачи. 

3. Анализ рабочего чертежа 

    Деталь  «червяк» используется как быстроходная часть червячного редуктора. Червяк передает крутящий момент от электродвигателя к червячному колесу и далее на рабочий механизм. На диаметрах 35k6 устанавливаются подшипники качения. На шейке Æ32s6 устанавливается втулочно-пальцевая муфта, которая фиксируется от проворота шпонкой 10х8 длиной 30 мм. От осевого смещения муфта фиксируется стопорной торцовой шайбой и винтом М6. Подшипник с противоположной стороны от муфты тоже фиксируется от осевого смещения стопорной торцевой шайбой и винтом М6. Канавки В и Г выполняются для выхода шлифовального круга. Полировка винтовой канавки червяка выполняется для уменьшения коэффициента трения в передаче и как следствие меньшего износа трущихся между собой деталей, и соответственно увеличения срока службы редуктора.

    Радиальное  биение поверхности Æ35k6 относительно поверхностей А и Б не более 0,02 мм. Не выполнение этого требования ведет  к нарушению балансировки червяка и преждевременному износу его и сопрягаемых  с ним подшипников.

    Перпендикулярность  торцов шеек Æ35k6 относительно поверхностей А и Б не более 0,008 мм. Не выполнение этого требования ведет к нарушению установки подшипников и преждевременному их износу.

    Червяк  является одной из самых ответственных  деталей червячного редуктора, влияющих на срок эксплуатации изделия в целом. Поэтому необходимо выдержать все допуски и отклонения формы, указанные в чертеже. 

4. Анализ технических требований 

    Технологический контроль чертежа производится, исходя из требований ЕСКД и ГОСТов на разработку и оформление конструкторской документации.  Технические требования указаны  над штампом.

    1. 261 НВ min. Термическая обработка состоящая из закалки с последующим отпуском при достаточно большой температуре называется улучшением, а стали, подвергшиеся такой обработке, - улучшаемыми сталями.

    2. *Размеры обеспечить инструментом. Данное требование показывает, что  размеры помеченные звездочкой получатся автоматически если используется инструмент выполненный по ГОСТ.

    3. ** Размеры для справок. Данное требование показывает, что размеры помеченные звездочкой являются справочными. Справочными называют размеры не подлежащие выполнению по данному чертежу и указываемые для большего удобства пользования чертежом.

    4. Неуказанные предельные отклонения  размеров ±IT/2. Требование показывает предельные отклонения на чертеже, у которых отсутствуют допуски. Верхнее и нижнее отклонения размеров находят по таблице. 

    5. Анализ конструкции детали на технологичность 

    Качество  изготовления продукции определяется совокупностью свойств процесса ее изготовления, соответствием этого  процесса и его результатов установленным  требованиям. В машиностроении показатели качества изделия тесно связаны с точностью обработки деталей машин.

    Технологический анализ позволяет улучшить технико-экономические  показатели технологического процесса.

    Архимедовы  червяки в единичном производстве могут быть изготовлены на токарном станке. Их нарезают резцами с прямолинейными режущими кромками установленными в осевом сечении червяка. Точность изготовления многозаходных червяков на токарном станке вызывает значительные технологические трудности, связанные с позиционированием заготовки. В серийном производстве используют более производительные методы. Обработка ведется на резьбофрезерных и специально-фрезерных станках дисковыми или пальцевыми фрезами. Возможно так же точение червяков на зубофрезерных станках долбяком.

    С точки зрения технологичности деталь имеет следующие недостатки:

    1. Базирование и зажим заготовки на первой операции происходит за необработанные поверхности.

    2. Червяк является 4-х заходным, что  исключает возможность использования  токарного станка для изготовления витков червяка. Необходимо использовать специализированные зубофрезерные или зубодолбежные станки.

    3. Наличие на чертеже винтовой  канавки червяка с шероховатостью  поверхности 8 класса точности  требует применение специализированного  резьбошлифовального станка.

           Оценку технологичности проводят по количественным и качественным показателям.

    5.1 Качественная оценка технологичности

    Таблица 1 - качественная оценка технологичности

    Вывод: деталь вала имеет конструкцию, которую  надо признать технологичной, т.к. удовлетворяет 90% требований при отработке конструкции на технологичность.

    5.2. Количественная оценка технологичности

    Характеризуется расчетом ряда показателей, характеризующих  отдельные свойства. Для оценки технологичности конструкции могут быть использованы следующие показатели:

    Коэффициент унификации

     =0,44%, где

     - число унифицированных элементов  детали, шт.

     - общее число конструктивных элементов детали, шт.

    Коэффициент  точности обработки детали

     %, где

     - число размеров необоснованной степени точности,

     - общее число размеров подлежащие обработке.

    Коэффициент шероховатости

     %, где

     - число поверхностей необоснованной  шероховатости,

     - общее число поверхностей подлежащие обработке.

    Коэффициент использования материала

     %, где

      - масса детали, кг,

     - масса заготовки, кг.

    Вывод по результатам анализа технологичности: количественная оценка технологичности показала, что сложность изготовления детали средняя, т. к. К_т=0,78%; коэффициент унификации входит в допустимые пределы 0,4-0,6;  при выборе метода изготовления детали % - высокий показатель использования материала. Деталь относим к технологичным. 

6. Определение типа  производства 

    В зависимости от широты номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска изделий современное  производство подразделяется на следующие  типы: единичное, серийное и массовое. От типа производства во многом зависит характер технологического процесса и его построение. Тип производства зависит от 2 факторов: заданной программы и трудоемкости изготовления изделия.

     - коэффициент серийности [1, стр.16], где

     - такт выпуска изделия,

     - средняя трудоемкость по  операциям. По существующему базовому  техпроцессу завода  мин.

                     [1, стр.17], где

     - действительный годовой фонд  времени оборудования,

     шт., - годовая программа выпуска.

                        [1, стр.17], где

     - номинальный фонд работы  оборудования при двухсменном  режиме, час.

     % - коэффициент, учитывающий потери  номинального времени на ремонт  оборудования.

     - рабочих дней в году.

      час – продолжительность  рабочей смены.

     - количество рабочих смен в день.

                  час

    При производство принимается среднесерийное.

     Определим оптимальное количество детали в  партии для одновременного запуска  на изготовление:

      ,   [1, стр.12], где

      - рекомендуемый запас деталей  на цеховом складе (для крупных  деталей 2-3 дня, для средних-4-6, для мелких- 7-10 дней);

       дет.

     Так как партия детали представляет их количество, которое изготавливается на рабочем месте с однократной затратой подготовительно-заключительного времени, то ее размер оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели и организацию производства.

     На  основании расчетов принимаем производство среднесерийным, оптимальное количество деталей в партии для запуска – 30 штук.  

7. Выбор заготовки 

    На  выбор метода получения заготовки  оказывают влияние следующие  факторы:  материал детали, ее назначение и технические требования на изготовление, объем и серийность выпуска, форма  поверхностей и размеры детали, программой выпуска.

    Рассмотрим  два варианта получения заготовки – прокат и горячую штамповку.

           Метод штамповки обычно применяют в серийном и массовом производстве. В этих условиях штамп длительное время находится в эксплуатации и затраты на его изготовление окупаются. Форма и размеры штамповки максимально приближены к размерам и форме детали, что снижает расход материала на изделие, сокращает трудоемкость последующей мехобработки и расход режущего инструмента, а также повышает механические свойства изделия. Но по мере усложнения конструкции заготовки, уменьшению припусков, повышение точности размеров и параметров расположения поверхностей усложняется и удорожается технологическая оснастка заготовительного цеха и возрастает себестоимость заготовки.

    Т.к. материал детали сталь 40Х, то способом получения заготовки может быть горячая штамповка или прутки из проката.

    7.1. Расчет первого варианта получения заготовки - горячей штамповки.

    Определяем  массу заготовки

     , где 

     - Объем ступеней цилиндра,

     =7,85 г/см³- плотность стали

      кг

    Расчет  общей стоимости изготовления детали

    С_дет=С_заг+С_осн+С_обр-С_отх ,   где

    С_заг- затраты на материал и изготовление заготовки

    С_осн- затраты на оснастку на одну заготовку

    С_обр- затраты на механическую обработку заготовки

    С_отх- стоимость отходов при механической обработке

    С_обр= ( М_заг-М_дет)∙0,55= (4,3-3,2)∙0,55= 0,6 ден. ед.

    М_заг- масса заготовки, кг

    М_дет- масса детали, кг

    0,55- стоимость механической обработки  1 кг металла, ед

    С_отх= ( М_заг-М_дет)∙С_отх∙10= (4,3-3,2)∙99∙10^-3∙10=1,1 ден.ед.

    С_отх- заготовительная цена одной тонны стружки

    С_отх=99∙10^-3 ден.ед за 1 кг стружки

    С_осн=С_{осн.опт}∙10/n=2∙10³∙10/1500=13,33 ден.ед

    С_{осн.опт.}=2∙10³ ден.ед стоимость среднего штампа

    n=1500 шт. количество деталей в партии

    С_заг= М_заг∙С_сп∙10= 4,3∙410∙10^-3∙10= 17,63 ден. ед.

    С_сп- оптовая стоимость заготовки

    С_сп- 410∙10^-3 ден.ед за 1 тонну

    С_дет=17,63+13,33+0,6-1,1=30,46 ден. ед.

    7.2.  Расчет второго варианта получения заготовки -из проката

    Для получения необходимой детали выбираем заготовку –прокат, диаметром 65 мм, длиной 285 мм.

      Определяем массу заготовки

      подставим размеры в формулу  в сантиметрах.

      кг

      Расчет общей стоимости изготовления  детали

    С_дет=С_заг+С_обр-С_отх

    С_обр= ( М_заг-М_дет)∙0,55= (7,4-3,2)∙0,55= 2,31 ден. ед.

    С_отх= ( М_заг-М_дет)∙С_отх∙10= (7,4-3,2)∙99∙10^-3∙10=4,16 ден.ед.

    С_заг= М_заг∙С_сп∙10= 7,4∙410∙10^-3∙10= 30,34 ден. ед.

    С_дет=С_заг+С_обр-С_отх=30,34+2,31-4,16=28,49 ден. ед.

    На  основании условий работы детали, конструктивных особенностей редуктора, технических требований на изготовление нет необходимости упрощать конструкцию  детали и заменять материал.

       Деталь изготавливается из конструкционной низколегированной стали 40Х ГОСТ4543-71, которая обладает достаточно высокими прочностными свойствами, хорошо обрабатывается режущими инструментами, принимает закалку в широком диапазоне твердости при охлаждении в воде или масле.

Таблица 2 - Химический состав стали 40Х в % 

    Таблица 3 - Механические свойства и условия термической обработки

    Сталь 40Х применяется для изготовления осей, вал-шестерней, коленчатых валов, оправок, реек, шпинделей, червяков, плунжеров, кулачковых муфт и других деталей повышенной прочности.

    Из  экономических расчетов делаем вывод, что наиболее экономически целесообразным является заготовка из прутка. 

    8. Выбор технологических  баз и размерный анализ 

    База - это поверхность или сочетание  поверхностей, ось, точка, принадлежащие  заготовке или изделию и используемые для базирования. В зависимости  от числа идеальных опорных точек, с которыми база находится в контакте, различают установочную базу, контактирующую с тремя опорными точками, направляющую базу, контактирующую с двумя опорными точками и упорную базу, контактирующую с одной опорной точкой.

    Конструкторская база - это база, используемая для определения положения детали или сборочной единицы в изделии.

    Технологической базой, используемой при обработке  заготовок на станках, называется поверхность, линия или точка заготовки, относительно которых ориентируются ее поверхности, обрабатываемые на данном установе.

    Измерительной базой называется поверхность, линия  или точка, от которых производится отсчет выполняемых размеров при  обработке или измерении заготовки, а также при проверке взаимного  расположения поверхностей детали или элементов изделия.

    Если  конфигурация заготовки не дает возможности  выбрать технологическую базу, позволяющую  удобно, устойчиво и надежно ориентировать  и закрепить заготовку в приспособлении или на станке, то прибегают к  созданию искусственных технологических баз. Характерным примером служат центровые отверстия, не требующиеся для готового вала и необходимые исключительно из технологических соображений.

    Совмещение  установочной, измерительной и сборочной  баз при постоянстве выбранной  базы в значительной степени облегчает решение сложных технологических задач, возникающих при обработке любых деталей.

    В качестве заготовки используется прокат. При изготовлении червяка обработка  поверхностей 1,21 происходит закрепление  детали за необработанную поверхность 9. Затем сверлятся центровые отверстия 22,26. Последующая обработка поверхностей 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19 проводится при установке заготовки в центра 22,26. Нарезание винтовой канавки червяка производится при установке заготовки в центра 22,26 и зажим за поверхность 3 или 17. При изготовлении шпоночного паза 20 зажим заготовки производится за поверхности 3,14 с упором в поверхность 7. Обработка поверхности 24,25 и нарезание резьбы поверхностей 23,27 производится при зажиме за поверхность 9 с упором заготовки в торцы 7,11. 

    Рис.1 – размерный анализ детали 

    9. Выбор технологического  маршрута 

    Для разработки технологического процесса обработки детали требуется предварительно изучить ее конструкцию и функции. Разрабатываемый тех-нологический процесс должен обеспечивать повышение производительности труда и качества детали, сокращение материальных  и трудовых затрат на его реализацию, уменьшение вредных воздействий на окружающую среду. Технологический процесс обработки деталей подобного типа включает в себя несколько этапов: обработка наружных поверхностей при установке на необработанные и предварительно обработанные поверхности, получение базовых поверхностей, используемых в дальнейшем на других операциях.